穩(wěn)恒電流和穩(wěn)恒電場(chǎng)

運(yùn)動(dòng)電荷在空間既產(chǎn)生電場(chǎng)又產(chǎn)生磁場(chǎng)本章將從“場(chǎng)”的角度來(lái)認(rèn)識(shí)電路中涉及的基本物理量及基本規(guī)律§1電流密度§2穩(wěn)恒電流§3歐姆定律的微分形式§4電動(dòng)勢(shì)溫差電現(xiàn)象第3章穩(wěn)恒電流和穩(wěn)恒電場(chǎng)1§1電流密度一、電流密度二、電流線2例如：電阻法探礦（圖示）

一、電流密度對(duì)大塊導(dǎo)體不僅需用物理量電流強(qiáng)度來(lái)描述還需建立電流密度的概念進(jìn)一步描述電流強(qiáng)度的分布3電流密度定義式dIdSPIP處正電荷定向移動(dòng)速度方向上的單位矢量大塊導(dǎo)體大?。悍较?/4對(duì)任意小面元，對(duì)任意曲面S：dIdIdSPIP處正電荷定向移動(dòng)速度方向上的單位矢量大塊導(dǎo)體5二、電流線為形象描寫(xiě)電流分布，引入“電流線”的概念規(guī)定：1）電流線上某點(diǎn)的切向與該點(diǎn)的方向一致；dNdS2）電流線的密度等于J，即：電流線P6對(duì)Cu：∵電流有熱效應(yīng)，故應(yīng)限制J

的大?。豪鐚?duì)Cu導(dǎo)線要求：對(duì)于超導(dǎo)導(dǎo)線，J可達(dá)104A/mm2。q定向移動(dòng)速度dS=1I電流線nq7§2穩(wěn)恒電流一、穩(wěn)恒電流二、穩(wěn)恒條件8一、穩(wěn)恒電流電流場(chǎng)中每一點(diǎn)的電流密度的大小和方向均不隨時(shí)間改變二、穩(wěn)恒條件1.穩(wěn)恒條件IdsSq內(nèi)由電荷守恒定律，對(duì)電路中任意閉合曲面S

均有：—電荷守恒定律9穩(wěn)恒情況有：

穩(wěn)恒條件：

或（積分形式）（微分形式）IdsSq內(nèi)—電荷守恒定律102.由穩(wěn)恒條件可得出幾個(gè)結(jié)論1）穩(wěn)恒電流的電路必須閉合2）導(dǎo)體表面電流密度矢量無(wú)法向分量3）對(duì)一段無(wú)分支的穩(wěn)恒電路其各橫截面的電流強(qiáng)度相等4）在電路的任一節(jié)點(diǎn)處流入的電流強(qiáng)度之和等于流出節(jié)點(diǎn)的電流強(qiáng)度之和---節(jié)點(diǎn)電流定律(基爾霍夫第一定律)11必有I=0穩(wěn)恒情況必有I入=I出I入I出電路II電路I二端網(wǎng)絡(luò)對(duì)電路的“節(jié)點(diǎn)”：基爾霍夫第一定律規(guī)定從節(jié)點(diǎn)流出：I>0，流入節(jié)點(diǎn)：I<0。由基爾霍夫第一定律可知穩(wěn)恒情況i=1,2,IiS節(jié)點(diǎn)12§3歐姆定律的微分形式一、歐姆定律的積分形式二、歐姆定律的微分形式三、穩(wěn)恒電場(chǎng)13一、歐姆定律的積分形式對(duì)一段均勻金屬導(dǎo)體：電阻率單位：電阻SRULabIab電導(dǎo)：?jiǎn)挝唬海ㄎ鏖T(mén)子）電導(dǎo)率單位：14將歐姆定律用于大塊導(dǎo)體中的一小段，—?dú)W姆定律微分形式上式對(duì)非均勻?qū)w非穩(wěn)恒電流也成立有：又IdIdS電流線+ddU得二、歐姆定律的微分形式15三、穩(wěn)恒電場(chǎng)1.穩(wěn)恒電場(chǎng)1）穩(wěn)恒電路導(dǎo)體內(nèi)存在的電場(chǎng)與穩(wěn)恒電流密度關(guān)系：2）穩(wěn)恒電場(chǎng)由不隨時(shí)間改變的電荷分布產(chǎn)生由穩(wěn)恒條件決定：162.與靜電場(chǎng)相同之處1）電場(chǎng)不隨時(shí)間改變2）滿足高斯定理3）滿足環(huán)路定理是保守場(chǎng)所以可引入電勢(shì)概念4）回路電壓定律(基爾霍夫第二定律)在穩(wěn)恒電路中沿任何閉合回路一周的電勢(shì)降落的代數(shù)和等于零173.與靜電場(chǎng)不同之處1）產(chǎn)生穩(wěn)恒電場(chǎng)的電荷是運(yùn)動(dòng)的電荷但電荷分布不隨時(shí)間改變2）穩(wěn)恒電場(chǎng)對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷作功但穩(wěn)恒電場(chǎng)的存在總伴隨著能量的轉(zhuǎn)移結(jié)論：穩(wěn)恒電路中存在穩(wěn)恒電場(chǎng)場(chǎng)線與電流線方向相同遵從歐姆定律微分形式18已知：大地的，求：接地電阻R解：h>>a。a大地.ahIr導(dǎo)體球（一般R10-2）例：如圖示19當(dāng)r=10a時(shí)，電阻的關(guān)鍵ar大地.ahIr即90%的電勢(shì)降落在r=10a的范圍內(nèi)故改善接地點(diǎn)附近的電阻a-

r=0.9U，是減小整個(gè)接地分析影響接地電阻的關(guān)鍵因素:20§4電動(dòng)勢(shì)溫差電現(xiàn)象一、電動(dòng)勢(shì)二、溫差電現(xiàn)象21一、電動(dòng)勢(shì)electromotiveforce(emf)1.電源及電源的作用為了維持穩(wěn)恒電流在電路中必然存在電源電源：提供非靜電力的裝置非靜電力場(chǎng)強(qiáng)：描述電源性能的物理量是電動(dòng)勢(shì)222.電動(dòng)勢(shì)把單位正電荷經(jīng)電源內(nèi)部由負(fù)極移向正極過(guò)程中非靜電力所作的功由于非靜電力只存在于電源中所以電動(dòng)勢(shì)還可寫(xiě)為L(zhǎng)應(yīng)是包括電源的任意回路23CuFeII熱接頭冷接頭兩種金屬接成一個(gè)回路若兩個(gè)接頭處的溫度不同則回路中形成溫差電動(dòng)勢(shì)二、溫差電現(xiàn)象

（席貝克Seebeck效應(yīng)

1821）如圖24CuFeII熱接頭冷接頭溫差電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生的原因：1）在同種金屬中溫差形成自由電子的熱擴(kuò)散（湯姆孫Thomon電動(dòng)勢(shì)）2）不同金屬中自由電子濃度不同在接頭處產(chǎn)生與溫度有關(guān)的擴(kuò)散（珀耳帖Peltier電動(dòng)勢(shì)）25一般mV/100C。T2T1待測(cè)已知恒溫（測(cè)）電位差計(jì)ABCBi—Sb

10-2V/100C。（鉍）（銻）溫差電動(dòng)勢(shì)的應(yīng)用:1.熱電偶26實(shí)物演示溫差電現(xiàn)象優(yōu)點(diǎn)：▲熱容小靈敏度高(10-3°C)

▲可逐點(diǎn)測(cè)量測(cè)小范圍內(nèi)溫度變化▲測(cè)溫范圍大（-200°C—2000°C）▲便于自動(dòng)控制T2T1待測(cè)已知恒溫（測(cè)）電位差計(jì)ABC272.掃描熱顯微鏡

掃描熱顯微鏡壓電控制裝置鎢鎳絕緣體通向電子裝置芯片28掃描熱顯微鏡簡(jiǎn)介性能：

熱探針針尖直徑只有約30nm，可在數(shù)十納米的尺度上，測(cè)出萬(wàn)分之一度的溫度變化。工作原理：通電流使探針加熱并接近試樣表面針尖和被測(cè)表面距離針尖散熱溫度；針尖和被測(cè)表面距離針尖散熱

溫度由此可反映出探針尖與試樣表面間隙的大小。當(dāng)探針在試樣表面上掃描時(shí)，就能測(cè)出試樣表面的起伏狀況。29掃描熱顯微鏡的應(yīng)用：檢測(cè)